電磁變換介質(zhì)及其微結(jié)構(gòu)效應(yīng).pdf

1、超材料(metamaterial)通過(guò)人工設(shè)定基本結(jié)構(gòu)單元形狀和大小，并調(diào)控各組分的比例和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特殊的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。在超材料的設(shè)計(jì)中，變換理論為尋找能夠?qū)崿F(xiàn)特定電磁波控制的材料參數(shù)提供了高效可靠的工具。該理論的基本原理是利用麥克斯韋方程在特定空間變換下的不變性找到與某個(gè)空間變換等價(jià)的電磁參數(shù)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播的有效控制，令材料獲得前所未有的電磁性質(zhì)和功能。應(yīng)用坐標(biāo)變換理論設(shè)計(jì)的介質(zhì)被稱為變換介質(zhì)，其材料參數(shù)具有高度的各向異性

2、和不均勻性，只有利用超材料的人工微結(jié)構(gòu)才可能實(shí)現(xiàn)。在此實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，理想的參數(shù)方案通常會(huì)受到實(shí)際材料、結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件的種種限制而產(chǎn)生各種參數(shù)上的偏差或簡(jiǎn)化。本文采用理論計(jì)算與有限元模擬的方法，討論了在微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中產(chǎn)生的可能偏差對(duì)變換介質(zhì)功能的影響，重點(diǎn)研究了以下內(nèi)容：
　　 (1)我們首先討論了對(duì)于隱形斗篷這一典型的變換介質(zhì)中內(nèi)表面參數(shù)的偏差對(duì)其功能的影響。在隱形斗篷的原始設(shè)計(jì)方案中，入射電磁波的傳播方可無(wú)散射地繞過(guò)隱形斗篷的

3、空腔，另一方面，由于隱形斗篷內(nèi)表面異常電勢(shì)的激發(fā)，殼內(nèi)任意波源向殼外的輻射也將被完全抑制。然而在此設(shè)計(jì)中，斗篷內(nèi)表面在變換中具有無(wú)限大的擴(kuò)張系數(shù)，在實(shí)際的微結(jié)構(gòu)中內(nèi)表面參數(shù)無(wú)法滿足此極限條件，因而會(huì)造成對(duì)外部入射的散射和內(nèi)部輻射的外泄。特別是隱形斗篷對(duì)內(nèi)部輻射的抑制作用有可能受到此偏差的嚴(yán)重影響。這里我們討論了一個(gè)非完美的斗篷裝置，其內(nèi)表面具有有限且各向同性擴(kuò)張系數(shù)?；谟邢耷度胱儞Q理論將此復(fù)雜介質(zhì)的散射問(wèn)題轉(zhuǎn)化為另一空間中的簡(jiǎn)單散射問(wèn)

4、題，從而得到了這類斗篷的n階出射能流密度表達(dá)式，計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果可以很好地吻合。計(jì)算表明，此類非完美斗篷雖然不能對(duì)內(nèi)部源的輻射產(chǎn)生完美的抑制，但仍能通過(guò)適當(dāng)調(diào)整波源與斗篷的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)十分強(qiáng)烈的屏蔽效應(yīng)。
　　 (2)隱形斗篷的內(nèi)表面偏差不僅會(huì)影響到它的輻射抑制功能，同時(shí)也會(huì)令裝置產(chǎn)生額外的輻射。但是若能對(duì)內(nèi)表面的有限擴(kuò)張變換加以設(shè)計(jì)，可以得到另一種變換介質(zhì)--變形器。該裝置將貼于其內(nèi)表面的導(dǎo)體對(duì)外界入射波的散射改變?yōu)?/p>

5、另一預(yù)先設(shè)計(jì)的導(dǎo)體散射，從而令外部觀察者產(chǎn)生幻覺(jué)。我們根據(jù)變換理論提出三維變形器的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案可適用于任意形狀的變形效果，并利用有限元模擬演示了一個(gè)可令導(dǎo)體球到橢球的變形器：將此變換介質(zhì)包裹在球狀導(dǎo)體上，可產(chǎn)生一個(gè)橢球?qū)w的幻象。
　　 (3)進(jìn)一步地，我們提出變形器的簡(jiǎn)化參數(shù)及可能實(shí)現(xiàn)此參數(shù)方案的微結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)基于以開(kāi)口共振環(huán)(SRR)為基本單元的陣列，通過(guò)調(diào)節(jié)此微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)獲得有效磁導(dǎo)率分布，并實(shí)現(xiàn)TE入射波下的